用于确定材料的至少一个性质的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于确定一或多种气体的一或多个性质的系统。所述系统包括经配置以测量样本在多个温度下的热导率和放热响应的传感器。在两个或更多个温度下对暴露于气体样本的传感器响应由子系统进行补偿和分析。所述子系统经配置以确定所述气体样本在所述两个或更多个温度中的每一者下的热导率，且至少部分地基于所述样本在所述两个或更多个温度中的每一者下的热导率值而确定所述气体样本的至少一种组分。还揭示了确定样本的一或多个性质的相关系统和方法。

A system and method for determining at least one property of a material

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定材料的至少一个性质的系统和方法优先权要求本申请要求2017年8月10日提交的第15/674,305号美国专利申请“确定材料的至少一个性质的系统和方法(SYSTEMSANDMETHODSOFDETERMININGATLEASTONEPROPERTYOFAMATERIAL)”的权益，所述美国专利申请要求2016年8月18日提交且标题为“用于检测、识别和/或量化气体的系统和方法(ASYSTEMANDMETHODFORDETECTING,IDENTIFYING,AND/ORQUANTIFYINGGASES)”的第62/376,675号美国临时专利申请的权益。
本专利技术的实施例涉及用于材料(例如，蒸气、气体等)的检测、量化和/或识别的系统和传感器，且涉及相关方法。更确切地说，本专利技术的实施例涉及用于确定样本中的一或多个组分的存在、确定样本的一或多个组分的浓度、确定样本中的所述一或多个组分的身份以及确定样本的一或多个其它性质的系统和传感器，且涉及样本分析的相关方法。
技术介绍
在一些应用中已经使用催化传感器来检测可燃气体。然而，催化传感器具有限制其性能和准确性的若干缺点。催化传感器的缺点包含由于催化剂的老化和毒化带来的漂移和劣化，这可能影响来自其的响应的量值且因此影响其准确性。已经证明微悬臂作为气体传感器装置，通常具有吸引特定气体的涂层。当质量添加到悬臂时，可检测其谐振频率的移位。谐振频率的改变与微悬臂上的质量改变成比例。还已知未经涂布的微悬臂可以用于感测气体的粘度和密度。可通过简单地观察与粘性阻尼(viscousdamping，VD)成比例的谐振频率移位来复合地考虑密度和粘度，或可通过考虑谐振频率和质量因子改变(Boskovic2002)两者来解卷积密度和粘度。还已知气体的热导率(TC)与密度之间的物理关系。这可用以识别某些气体(Groot1977&LouiLLNL2014)。然而，一些气体具有重叠或近似重叠的TC对密度向量，从而使得难以将这些气体彼此区分。此技术也不能够检测气体混合物中的多个气体，因为混合气体可能展现与混合物的组分的热导率不同的热导率且会导致错误或不可靠的测量结果。一些气体具有极类似于空气的TC对VD向量，例如氧气(O2)、一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO)。在足够低的浓度下单独使用TC对VD向量无法检测例如硫化氢(H2S)等一些气体。金属氧化物半导体(MOS)和经涂布的微悬臂经常具有气体交叉敏感性且可能不能够区分若干不同气体。作为一个实例，用于可燃和其它危险气体的当前传感器(例如，催化床传感器、非色散红外(NDIR)传感器、热导率传感器)不能够确定给定气体或气体混合物的单个性质，且不能够自我校正其输出以确定例如气体的浓度。因此，在一些例子中，此类传感器可能不能够区分例如具有500ppm的浓度的第一气体和具有例如5,000ppm的浓度的第二气体。出于前述原因，需要克服常规传感器缺点且可以可靠地检测、识别和/或量化气体的系统和方法。
技术实现思路
本专利技术涉及可以可靠地检测、识别和/或量化样本(例如，蒸气、气体、液体、其组合等)的系统和方法。在一个实施例中，所述系统包含催化传感器、热导率传感器、阻尼传感器、包括涂层材料的一或多个微悬臂传感器、一或多个金属氧化物半导体(MOS)传感器、一或多个环境传感器(例如，温度、压力、湿度(相对湿度、绝对湿度或这两者)和流动速率)，以及具有例如用于询问、补偿、校准、分析、检测故障和报告结果的软件的处理子系统。附图说明图1说明根据本专利技术的实施例的用于测量气体性质的系统的总体框图；图2A说明根据本专利技术的实施例的检测器的微热板的俯视图；图2B说明出于清楚起见而展示且沿着图2A的截面线B-B截取的图2A的剖视侧视图；图3A是说明在两个温度下若干气体的热导率的曲线图；图3B是说明在第一温度下若干气体的热导率与在第二温度下所述气体的热导率的比率之间的关系的曲线图；图3C是说明各种气体在两个温度下的热导率的比率与热导率与浓度的比率之间的关系的曲线图；图3D是说明在第一温度下样本的热导率与在第二温度下气体的热导率的比率与样本的平均分子量之间的关系的曲线图；图4是根据本专利技术的实施例的确定样本的一或多个性质的方法的简化流程图；图5A是各种气体的热导率对温度的绘图；图5B是热导率对温度的气体特定斜变响应；图6是根据本专利技术的实施例的确定样本的一或多个性质的方法的简化流程图；图7A是根据本专利技术的实施例的检测器的微悬臂的俯视图；图7B说明出于清楚起见而展示且沿着图7A的截面线B-B截取的图7A的剖视侧视图；图7C是根据本专利技术的实施例的微悬臂的等效电路模型(ECM)的示意图；图8A说明各种气体的热导率对粘性阻尼的绘图；图8B是说明多种气体的串联电阻和谐振频率的曲线图；图8C是说明根据本专利技术的实施例的微悬臂的谐振频率改变与串联电阻改变之间的关系的曲线图；图9A是根据本专利技术的实施例的具有用于测量MOS传感器的电特性的叉指形电极的微热板的俯视图；图9B说明出于清楚起见而展示且沿着图9A的截面线B-B截取的图9A的剖视侧视图；图10说明根据本专利技术的实施例的典型系统过程序列的概要综述；图11是说明根据本专利技术的实施例的可用以确定样本的一或多个性质的在微悬臂的质量因子的改变、微悬臂的的改变以及样本的热导率的改变之间的关系的曲线图；图12A是说明根据本专利技术的实施例的可以检测器的个别传感器获得的若干参数之间的关系的曲线图；图12B是根据本专利技术的实施例的用以产生响应的指纹的传感器响应的雷达绘图；图12C是根据本专利技术的其它实施例的用以产生响应的“指纹”的传感器响应的雷达绘图；图12D说明当在气体传感器之前分离气体(例如通过气相色谱仪)时可如何在时间序列中分析雷达绘图；图13是说明根据本专利技术的实施例的确定样本的一或多个性质的方法的简化流程图；图14是根据本专利技术的实施例的用于检测、量化和识别可燃气体的处理的简化流程图；图15A是用于使用热导率传感器确定样本的至少一个性质的实施例的简化流程图；图15B是根据本专利技术的实施例的用于检测、量化和识别非可燃气体的替代实施方案的简化流程图；图16是本专利技术的实施例的流程图；以及图17是在本专利技术的一些实施例中使用的个别系统过程的概述。具体实施方式本文中呈现的图示并不意图是任何特定材料、组件或系统的实际视图，而仅仅是用以描述本专利技术的实施例的理想化表示。如本文所使用，术语“样本”意味着且包含材料，所述材料可以包含至少一个性质待确定的一种或多种气体、一种或多种蒸气、一种或多种液体以及一种或多种固体。借助于非限制性实例，样本可以包含处于平衡的液体和气体。如本文所使用，术语“粘性阻尼”和“阻尼”可互换使用。如本文所使用，术语“催化响应”意味着且包含催化传感器对暴露于样本的响应(例如，输出)。在特定温度下的催化响应意味着且包含当催化传感器在特定温度下时催化传感器对暴露于样本的响应。如本文所使用，术语“催化活性”意味着且包含当催化传感器在特定温度下时催化传感器对暴露于样本的催化响应与当催化传感器在特定温度下时催化传感器的基线催化响应之间的差异。如本文所使用，术语“向量”意味着且包含具有方向(例如，斜率、角度、比率等)和基于两个或更多个参数的量值(例如，长度、距离、大小、尺寸等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定一或多个样本的一或多个性质的系统，所述系统包括：至少一个热导率传感器，其经配置以测量当所述至少一个热导率传感器处于第一温度时和当所述至少一个热导率传感器处于至少第二温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于样本的响应；以及子系统，其经配置以至少部分地基于当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应和当所述至少一个热导率传感器处于所述至少第二温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应而确定所述样本的至少一种组分的存在。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.18 US 62/376,6751.一种用于确定一或多个样本的一或多个性质的系统，所述系统包括：至少一个热导率传感器，其经配置以测量当所述至少一个热导率传感器处于第一温度时和当所述至少一个热导率传感器处于至少第二温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于样本的响应；以及子系统，其经配置以至少部分地基于当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应和当所述至少一个热导率传感器处于所述至少第二温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应而确定所述样本的至少一种组分的存在。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述子系统经配置以：确定当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应与当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度时所述至少一个热导率传感器的基线响应之间的第一差；以及确定当所述至少一个热导率传感器处于所述至少第二温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应与当所述至少一个热导率传感器处于所述至少第二温度时所述至少一个热导率传感器的基线响应之间的第二差。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述子系统经配置以基于所述第一差与所述第二差的比率而确定所述样本的身份。4.根据权利要求2所述的系统，其中所述子系统经配置以基于所述第一差、所述第二差的组合向量的量值、所述第一差的量值以及所述第二差的量值中的至少一者而确定所述样本的浓度。5.根据权利要求2所述的系统，其中当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度和处于所述至少第二温度时的所述基线响应包括当所述至少一个热导率传感器处于所述相应第一温度和所述至少第二温度中的每一者时所述至少一个热导率传感器对暴露于空气的响应。6.根据权利要求2所述的系统，其中当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度和所述至少第二温度时的所述基线响应包括当所述至少一个热导率传感器处于所述相应第一温度和所述至少第二温度中的每一者时所述至少一个热导率传感器对暴露于参考气体的响应。7.根据权利要求6所述的系统，其中所述子系统经配置以：确定当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度时所述样本的所述热导率与所述参考气体的所述热导率之间的差；以及确定当所述至少一个热导率传感器处于所述至少第二温度时所述样本的所述热导率与所述参考气体的所述热导率之间的差。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个热导率传感器包括：第一热导率传感器，其经配置以在所述第一热导率传感器处于所述第一温度时暴露于所述样本；以及第二热导率传感器，其经配置以在所述第二热导率传感器处于所述至少第二温度时暴露于所述样本。9.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个热导率传感器包括单个热导率传感器，所述单个热导率传感器经配置以在所述单个热导率传感器处于所述第一温度和所述至少第二温度时暴露于所述样本。10.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以在所述至少一个热导率传感器暴露于所述样本时使所述至少一个热导率传感器的温度斜升到预定温度。11.根据权利要求1所述的系统，其中所述子系统经配置以基于当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应与当所述至少一个热导率传感器处于所述第二温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应的比率而确定所述样本的身份。12.根据权利要求1所述的系统，其中所述子系统进一步经配置以基于所述样本的浓度与当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度时或当所述至少一个热导率传感器处于所述至少第二温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应之间的关系而确定所述样本的平均分子量和浓度中的至少一者。13.根据权利要求1所述的系统，其中所述子系统经配置以基于所述样本的热导率等于空气的热导率的温度而确定所述样本的身份。14.根据权利要求1所述的系统，其中所述子系统进一步经配置以确定在空气的热导率等于潮湿空气的热导率的温度下所述样本的热导率。15.根据权利要求1所述的系统，其中所述子系统进一步经配置以基于当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应对当所述至少一个热导率传感器处于所述至少第二温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应的向量的量值以及当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度和所述至少第二温度中的一者或两者时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应的量值中的至少一者而确定所述样本的浓度。16.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括经配置以测量温度、压力、湿度和流动速率中的至少一者的至少一个环境传感器，其中所述子系统进一步经配置以针对温度、压力、湿度和流动速率中的所述至少一者补偿所述至少一个热导率传感器的输出。17.根据权利要求1所述的系统，其中所述子系统经配置以确定当所述至少一个热导率传感器处于在约50℃与约250℃之间的第一温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应以及当所述至少一个热导率传感器处于在约300℃与约800℃之间的第二温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应。18.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括催化传感器，其中所述子系统经配置以基于当所述催化传感器处于所述第一温度和所述至少第二温度中的一者时所述催化传感器对暴露于所述样本的响应与当所述至少一个热导率传感器处于所述第一温度和所述至少第二温度中的所述相应一者时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应之间的差而确定所述至少一种组分的所述存在。19.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括阻尼传感器，其中所述子系统进一步经配置以基于所述阻尼传感器对暴露于所述样本的响应相对于所述阻尼传感器对暴露于参考气体的基线响应之间的关系而确定所述至少一种组分的存在。20.根据权利要求19所述的系统，其中所述子系统经配置以基于所述阻尼传感器的至少一个谐振参数的改变相对于所述至少一个谐振参数的基线之间的关系而确定所述至少一种组分的所述存在。21.根据权利要求19所述的系统，其中所述阻尼传感器包括微悬臂。22.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括经配置以与所述样本中的一或多个特定分析物相互作用的金属氧化物半导体传感器，其中所述子系统进一步经配置以基于所述金属氧化物半导体传感器对暴露于所述样本的响应而确定所述样本的所述至少一种组分的所述存在。23.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括微悬臂传感器，所述微悬臂传感器包括经调配以与所述样本中存在的一或多个特定分析物相互作用的涂层，其中所述子系统进一步经配置以基于所述微悬臂传感器响应于暴露于所述样本的一或多个谐振参数而确定所述样本的所述至少一种组分的所述存在。24.一种用于确定样本的至少一个性质的系统，所述系统包括：至少一个热导率传感器；至少一个阻尼传感器；以及子系统，其经配置以：当所述至少一个热导率传感器处于超过约50℃的温度时，确定所述至少一个热导率传感器对暴露于样本的响应；确定所述至少一个阻尼传感器对暴露于所述样本的响应；以及至少部分地基于当所述至少一个热导率传感器处于所述超过约50℃的温度时所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应与所述阻尼传感器对暴露于所述样本的所述响应之间的关系而确定所述样本的至少一种组分的存在。25.根据权利要求24所述的系统，其中所述子系统经配置以：相对于所述至少一个热导率传感器的基线响应确定所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的响应；以及相对于所述至少一个阻尼传感器的基线响应确定所述至少一个阻尼传感器对暴露于所述样本的响应。26.根据权利要求25所述的系统，其中所述子系统经配置以：基于所述样本的所述热导率与所述参考气体的所述热导率之间的差而确定所述样本相对于参考气体的热导率的改变；以及基于所述至少一个阻尼传感器对暴露于所述样本的所述响应与所述至少一个阻尼传感器的所述基线响应之间的差而确定所述至少一个阻尼传感器的至少一个谐振参数的改变。27.根据权利要求26所述的系统，其中所述子系统经配置以基于所述样本的所述热导率与所述参考气体的所述热导率之间的差和所述至少一个阻尼传感器对暴露于所述样本的所述响应与所述至少一个阻尼传感器的所述基线响应之间的差的比率而确定所述样本的身份。28.根据权利要求26所述的系统，其中所述子系统经配置以基于所述热导率的所述改变对所述至少一个谐振参数的所述改变的向量的量值而确定所述样本的浓度。29.根据权利要求26所述的系统，其中所述子系统经配置以基于所述样本相对于所述参考气体的所述热导率的所述改变、所述至少一个阻尼传感器的所述至少一个谐振参数的所述改变以及所述至少一个阻尼传感器的至少另一谐振参数的改变之间的关系而确定所述样本的所述至少一种组分的存在。30.根据权利要求24所述的系统，其中所述至少一个阻尼传感器包括微悬臂。31.根据权利要求24所述的系统，其进一步包括控制器，所述控制器经配置以在所述至少一个热导率传感器暴露于所述样本时使所述至少一个热导率传感器的温度斜升到预定温度。32.根据权利要求24所述的系统，其进一步包括经配置以测量温度、压力、湿度和流动速率中的至少一者的至少一个环境传感器，其中所述子系统进一步经配置以针对温度、压力、湿度和流动速率中的所述至少一者补偿所述热导率传感器的所述输出和所述至少一个阻尼传感器的输出。33.根据权利要求24所述的系统，其进一步包括催化传感器，其中所述子系统进一步经配置以响应于使所述催化传感器暴露于所述样本而接收来自所述催化传感器的输出且进一步经配置以基于所述催化传感器的所述输出而确定所述至少一种组分的所述存在。34.根据权利要求33所述的系统，其中所述催化传感器包括催化微热板传感器和催化微悬臂传感器中的一者。35.根据权利要求33所述的系统，其中所述子系统经配置以响应于检测到来自所述催化传感器的放热响应而至少部分地基于所述至少一个热导率传感器对暴露于所述样本的所述响应与所述至少一个阻尼传感器对暴露于所述样本的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·S·罗杰斯，C·J·杜德利，J·D·亚当斯，R·G·惠滕，A·C·伍兹，V·N·哈通，
申请(专利权)人：内华达纳米技术系统公司，
类型：发明
国别省市：美国,US